سحابی بومرنگ: سردترین ناحیه شناخته شده در عالم کجاست؟

کیهان ما با وسعتی پایان‌ناپذیر و عمر 13.8 میلیارد ساله خود، مملو از اجرام و ساختارهای عجیبی است که هرکدام ویژگی‌های منحصر به فرد خود را دارند. در این مقاله قصد داریم به یکی از این ساختارها نگاهی بیندازیم که رکورد سردترین ناحیه در عالم را در اختیار دارد. «سحابی بومرنگ» نام این ساختار خارق‌العاده است. اما پیش از آنکه نگاهی به ویژگی‌های آن بیندازیم و بیشتر با آن آشنا شویم، اجازه دهید در ابتدا با تعریف «سحابی» در علم کیهانشناسی آشنا شویم.

سحابی چیست؟

در میان هزاران هزار جرم خارق‎‌العاده موجود در کیهان ما، سحابی ابر عظیمی از غبار و گاز است که فضای بین‌ ستارگان - فضای بین ستاره‌ای - را اشغال کرده است. سحابی معادل کلمه «nebula» است که در زبان لاتین «مه، بخار، دود و بازدم» معنا می‌شود. سحابی‌ها از غبار، عناصر مهمی مانند هیدروژن و هلیوم و دیگر گازهای یونیزه شده تشکیل شده‌اند.

سحابی‌ها زیبا و مرموز هستند. نزدیکترین سحابی شناخته شده به زمین سحابی «هلیکس» یا «Helix» است. سحابی هلیکس بقایای یک ستاره در حال مرگ است - این ستاره احتمالا خورشید مانند بوده است. این سحابی حدود 700 سال نوری از زمین فاصله دارد، یعنی حتی اگر بتوانیم با سرعت نور سفر کنیم، باز هم 700 سال طول می‌کشد تا به آن برسیم.

اخترشناسان تاکنون به کمک تلسکوپ‌های «هابل» و «اسپیتزر» تصاویر خارق‌العاده‌ای از سحابی‌ها ثبت کرده‌اند که برخی را در زیر می‌بینیم.

سحابی‌ها از گاز و غباری که در اثر انفجار یک ستاره در حال مرگ به بیرون پرتاب می‌شود، به وجود می‌آیند. اما خودشان در حقیقت به عنوان زایشگاه ستارگان جدید یا مهدکودک ستاره شناخته می‌شوند زیرا بسیاری از ستارگان از دل سحابی‌ها متولد می‌شوند.

تولد یک ستاره در سحابی

همانطور که گفتیم سحابی‌ها از غبار و گاز - عمدتا هیدروژن و هلیوم - تشکیل شده‌اند. غبارها و گازها در یک سحابی بسیار پراکنده هستند. اما نیروی گرانش می‌تواند سبب تجمع توده‌ها غبار و گاز در یک ناحیه شود. هرچه این توده بزرگتر و فشرده‌تر می‌شود، گرانش قوی و قوی‌تر می‌شود.

درنهایت توده گاز و غبار آنقدر بزرگ می‌شود که بر اثر جاذبه در درون خود فرو می‌ریزد. فروپاشی باعث می‌شود که مواد در مرکز این ابرگرم شوند تا هسته داغ ستاره شکل گیرد.

سحابی سیاره‌ای

حالا که با تعریف کلی سحابی آشنا شدیم، می‌توانیم نگاهی به نوع خاصی از سحابی‌ها یعنی «سحابی سیاره‌ای» بیندازیم.

همجوشی هسته‌ای چیزی است که یک ستاره را واقعا تبدیل به یک «ستاره» می‌کند! همجوشی هسته‌ای به فرآیندی گفته می‌شود که در آن هسته‌های اتمی در هسته ستاره درهم می‌شکنند. وقتی این اتفاق برای ستاره‌ای با جرم کمتر از 8 برابر جرم خورشید می‌افتد، این ستاره آنقدر متورم می‌شود که برخی از سیارات اقماری خود را فرو می‌بلعد. در همین حال، هسته ستاره منقبض می‌شود و نیروی گرانش آن دیگر توانایی کافی برای نگه داشتن لایه‌های بیرونی ستاره را ندارد.

ستاره حالا درحال مرگ است. ستاره درحال مرگ لایه را به بیرون می‌ریزد و ابری از گاز و غبار پدید می‌آید که به آن «سحابی سیاره‌ای» می‌گویند. این سحابی علاوه بر مواد شیمیایی که پیش از این در ترکیبات ستاره بودند، شامل اتم‌هایی است که در حین همجوشی هسته‌ای شکل گرفتند و مولکول‌هایی که در لایه‌های بیرونی ستاره درحال مرگ و در هنگام سرد شدن ساخته شدند. بسیاری از این اتم‌ها همان چیزی هستند که ستاره‌شناسان آن‌ها را «فلزات» می‌نامند: عناصر سنگین‌تر از هلیوم در جدول تناوبی.

خورشید ما که اکنون در مرحله «توالی اصلی» یا «Main Sequence» است، ممکن است که درحدود 5 میلیارد سال دیگر که سوخت هسته‌ای‌اش تمام می‌شود، به یک سحابی سیاره‌ای تبدیل شود.

سحابی‌های سیاره‌ای تنها چند هزار یا چند ده هزار سال در کیهان باقی می‌مانند. این رقم شاید از نظر انسانی بسیار زیاد باشد، اما دقت کنید که از نظر کیهانی رقم بسیار ناچیزی است. با این‌حال، ساختار زیبا و پیچیده سحابی‌های سیاره‌ای اطلاعات ارزشمندی در مورد فضای داخلی یک ستاره درحال مرگ به ما می‌دهد.

علیرغم نام، سحابی‌های سیاره‌ای هیچ ربطی به سیارات ندارند: وقتی ستاره‌شناس «ویلیام هرشل» برای اولین‌بار آن‌ها در دهه 1700 شناسایی کرد، فکر کرد که درخشش سبز-آبی آن‌ها شبیه به سیاره تازه کشف شده «اورانوس» است.

سحابی بومرنگ

پس از آشنایی اولیه با سحابی‌ها، به سراغ سحابی بومرنگ - رکورددار سردترین ناحیه در عالم - می‌رویم. سحابی بومرنگ یک سحابی سیاره‌ای جوان و یکی از اجرامی است که تلسکوپ هابل در مطالعات خود تمرکز زیادی بر آن داشته است.

«کیت تیلور» و «مایک اسکاروت» در سال 1980 این سحابی را با تلسکوپ بزرگ زمینی در استرالیا رصد کردند و آن را «سحابی بومرنگ» نامیدند (نام دیگر سحابی بومرنگ «LEDA 3074547» می‌باشد). اخترشناسان در آن زمان قادر به مشاهده عدم تقارن جزئی موجود در این سحابی نبودند. اما سال‌ها بعد تلسکوپ هابل که تصویر دقیقی از این سحابی منتشر کرد، نشان داد «سحابی پاپیون» شاید نام بهتری برای آن بود.

این سحابی در صورت فلکی «قنطورس» با فاصله 5000 سال نوری از زمین قرار دارد و یکی از نواحی عجیب و غریب در کیهان است زیرا اخترشناسان در سال 1995 به کمک تلسکوپ 15 متری «Swedish ESO Submillimetre» در شیلی نشان دادند سحابی بومرنگ سردترین ناحیه در کیهان است که تاکنون کشف شده است.

این سحابی با دمای یک کلوین یا به‌طور معادل 272- درجه سانتیگراد، تنها یک درجه گرمتر از صفر مطلق (پایین‌ترین حد برای دما) است. جالب است بدانید دمای تابش پس‌زمینه کیهانی در حدود 270- درجه سانتی‌گراد است. سحابی بومرنگ حتی از تابش پس‌زمینه کیهانی نیز سردتر است.

به عبارت دیگر، سحابی بومرنگ تنها ناحیه یافت شده در عالم است که دمای آن کمتر از دمای تابش پس‌زمینه کیهانی است. اینکه چگونه یک ستاره توانست محیطی به طرز شگفت‌انگیزی سردتر از تابش پس‌زمینه کیهانی را ایجاد کند، برای بیش از دو دهه به عنوان یک راز باقی ماند.

تلسکوپ فضایی هابل که در سال 1990 از «پایگاه فضایی کندی» در فلوریدا ایالات متحده به فضا پرتاب شد، موفق شد تصویری خیره‌کننده از این سحابی منتشر کند.

این تلسکوپ عصری نوین در علم اخترفیزیک و کیهانشناسی را آغاز کرد. هابل که در بازه فرابنفش، مرئی و فروسرخ نزدیک به مطالعه کیهان می‌پردازد، در طول 30 سال فعالیت خود تصاویر و داده‌های ارزشمندی را به زمین ارسال کرده است. تصویر سحابی بومرنگ ثبت شده توسط تلسکوپ فضایی هابل در سال 1998 را در زیر می‌بینیم.

در این تصویر، شاهد نواحی شبح‌واری هستیم که در اطراف مرکز سحابی پراکنده شده‌اند. این شکل پراکنده سحابی سبب می‌شود تا از سایر سحابی‌های سیاره‌ای که تاکنون مشاهده شده‌اند، متفاوت باشد. سحابی‌های سیاره‌ای عمدتا شبیه به حباب‌هایی هستند که در درون آن‌ها گاز منفجر شده است - همانطور که در عکس‌های بالا دیدیم.

سحابی بومرنگ نسبت به سایر سحابی‌های سیاره‌ای به قدری جوان است که برخی اخترشناسان عقیده دارند زمان لازم و کافی برای رسیدن به ساختار حبابی شکل را نداشته است. البته به صورت دقیق، اینکه چرا این سحابی ساختار ظاهری متفاوتی نسبت به سایر سحابی‌ها دارد، مشخص نیست. اخترشناسان عقیده دارند سحابی بومرنگ یک منظومه ستاره‌ای است که به سمت فاز سحابی سیاره‌ای درحال تکامل است.

آلما نیز سحابی بومرنگ را تماشا می‌کند

سحابی بومرنگ به علت ویژگی‌های خاص و متفاوتی که دارد، از زمان شناسایی تاکنون مورد توجه اخترشناسان بوده است. به همین علت، تلسکوپ‌های فضایی و زمینی تلاش داشتند تا تصاویری با وضوح بالا از آن ثبت کرده و ویژگی‌های متفاوت آن را شناسایی کنند.

آرایه میلی‌متری/زیر میلی‌متری آلما یا «ALMA» که مختصر شده «Atacama Large Millimeter/submillimeter Array» می‌باشد، یک تداخل‌سنج نجومی متشکل از 66 تلسکوپ رادیویی است که در صحرای آتاکاما در شمال شیلی قرار دارد. این آرایه تابش الکترومغناطیسی را در طول موج‌های میلی‌متری و زیرمیلی‌متری دریافت می‌کند. آلما به دلیل موقعیت خود و ارتفاع 5000 متری از سطح دریا - رطوبت کم - می‌تواند تصویربرداری دقیقی از شکل‌گیری ستاره‌ها و سیاره‌های محلی انجام دهد.

آلما که به عنوان گران‌ترین تلسکوپ زمینی کار خود را از سال 2011 آغاز کرد، موفق شد در سال 2013 با تصویربرداری از سحابی بومرنگ ویژگی‌های دیگری از آن را برای ما آشکار کند.

اخترشناسان به کمک داده‌هایی که این تلسکوپ زمینی دراختیارشان قرار داد دریافتند دو ناحیه مرئی سحابی بومرنگ که در اطراف ستاره مرکزی هستند، توسط حجم کروی بزرگترین از گاز سرد احاطه شده‌اند که تنها در طول موج‌های زیرمیلی‌متری دیده می‌شوند. به نظر می‌رسد حاشیه‌های بیرونی سحابی به تدریج درحال گرم شدن هستند. اخترشناسان با مطالعه پیوسته این سحابی دریافته‌اند ستاره‌ای که در مرکز قرار دارد، یک ستاره غول قرمز در حال مرگ است. در این مقاله، در مورد ستاره‌ها به‌طور مفصل صحبت کرده‌ و تعاریف ستاره غول قرمز یا تحول آن‌ها در طول زمان را مرور کرده‌ایم.

آرایه آلما مجددا در سال 2017 نگاهی به سحابی بومرنگ انداخته و تصویر جدید زیر را از آن ثبت کرده است.

مشاهدات آلما اخترشناسان را قادر ساخت تا با ارائه اولین محاسبات دقیق وسعت، سن، جرم و انرژی جنبشی این سحابی را کشف کنند.

«روندرا ساها» ستاره‌شناس در آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا (JPL) می‌گوید: « داده‌های جدید منتشر شده توسط آلما به ما نشان می‌دهد که شکل کلی سحابی بومرنگ - حالت پاپیونی آن - توسط بادهای بسیار شدیدی با سرعت 150 کیلومتر بر ثانیه ایجاد شده است که گاز بسیار سردی را از ستاره مرکزی درحال مرگ به بیرون می‌راند. این جریان خروجی آنقدر سریع درحال گسترش است - تقریبا 10 برابر سریع‌تر از آن که یک ستاره به تنهایی تولید کند - که دمای آن این چنین کاهش یافته است.»

وی در توضیح این شرایط عجیب ادامه می‌دهد: « تنها راه برای بیرون راندن این همه جرم با چنین سرعت بالایی، انرژی گرانشی دو ستاره متقابل است که می‌توانند ویژگی‌های جریان خروجی فوق سرد را توضیح دهند. چنین ستاره‌هایی ممکن است مسئول مرگ زودهنگام و خشونت‌آمیز بیشتر ستارگان در جهان است.»

با این تفاسیر اکنون می‌دانیم تقریبا 3500 سال طول کشیده است تا مواد در لبه بیرونی ستاره با چنین سرعتی به بیرون پرتاب شوند. با این‌حال، این شرایط برای مدت طولانی دوام نخواهد داشت. سحابی بومرنگ درحال حاضر به آرامی درحال گرم شدن است.

اخترشناسان باور دارند ویژگی‌های خاص بومرنگ ایده‌های مرسوم در مورد چنین فعل و انفعلاتی را به چالش می‌کشد و یکی از بهترین‌ فرصت‌ها برای آزمایش فیزیک سیستم‌های دوتایی حاوی یک ستاره غول پیکر است. بدین ترتیب، مطالعات اخترشناسان بر روی این سحابی ادامه دارد. آن‌ها امیدوارند به کمک داده‌های جدیدی که تلسکوپ‌ها در اختیارشان قرار می‌دهند، بتوانند سحابی بومرنگ به عنوان سردترین ناحیه در عالم را بهتر درک کنند.